工業革命與制造范式演化研究

孟 柳，延建林，周 源

（1.中國工程院戰略咨詢中心，北京 100088；2.清華大學，北京 100084）

從狩獵社會、農耕社會、工業社會再到信息社會，人類社會經歷了三次大的工業革命，伴隨著科技的日新月異，生活水平也在不斷提高，生產工具優化，工作強度降低，生產效率提高，我們正步入新的工業革命。

工業革命由科技進步從而帶動新興產業，同時改進了現有的生產方式、組織模式甚至整個社會。產業技術范式伴隨著歷次革命不斷迭代升級，通過對產業技術范式變遷進行研究，我們可以總結經驗，結合自身發展，為國家制造業發展提供有力依據。

四次工業革命的演進如圖1所示。

圖1 四次工業革命演進

1 范式演化與“四次工業革命”的影響

伴隨著每一次的科技革命都會產生新的制造范式，每一次新的制造范式會在原有制造范式的基礎上，根據新的技術和新的需求進行升級，從而使得每一次科技革命的成果能通過制造范式的迭代升級而迅速在制造業廣泛應用推廣。

1.1 第一次工業革命

作為世界上最早出現的創新型國家，英國領導了第一次工業革命。

整個18世紀，英國通過種種原始積累手段為工業生產的變革提供基礎。隨著蒸汽機采用范圍的擴大，特別是機器制造業的出現，工業革命迅速擴展到各部門。19世紀中葉，英國已成為世界上第1個工業強國。并率先完成工業革命，成為“世界工廠”。

縱觀英國工業百年的發展歷程，可以發現英國在第一次工業革命中取得了巨大的成就，同時在工業革命前后兩個世紀的時間內，英國還是全球的科技創新中心。

英國引領了第一次工業革命并取得了巨大的成就，但其傳統的經濟增長模式卻不再適應第二次工業革命發展的需求。在第一次工業革命前后，英國作為全球最大的殖民國家，其經濟增長在很大程度上依賴于大規模的海外擴張，這種資源輸入和商品輸出、資本輸出相結合的模式為英國積累了大量資本，但企業也逐漸喪失了采納新技術、購買新設備的積極性，導致英國生產率的增長停滯不前。究其根本原因，是因為傳統的經濟增長模式完全可以為資本家帶來豐厚的收益，因此缺乏采用新技術的動力。

1.2 第二次工業革命

如果說第一次工業革命主要是確立了工廠制，而第二次工業革命則是確立了大規模生產制。它不但為壟斷性大企業奠定了物質技術基礎，而且由于電力、鋼鐵、汽車、飛機和石油等重工業的發展，企業規模空前擴大，資本和生產更加集中[1]。

在第二次工業革命最初30多年中，美國和德國通過迅速進入新技術體系而崛起。第一次世界大戰和南北戰爭為美國提供了大量科技人才以及豐富的勞動力和消費市場。在這期間德國幾乎同時開始了兩次工業革命，政府的大力干預、科技和教育的發展和普法戰爭的巨額賠款為德國在短時間內迅速發展奠定了基礎，并后來居上。

這次工業革命以大規模生產為主導，電力技術的發明和應用為帶動，在微觀企業層級以股份制企業為主要形式，在中觀的產業層是以電力、鋼鐵、化學工業、汽車工業和電話電報等通訊業為主形成全新的技術體系，宏觀經濟結構看工業的大力發展取代了農業為主體的產業，同時，第三產業也快速發展起來。在全新的產業技術體系下，新的技術、設備和管理方式相繼出現，促使社會的生產力進一步提高，其速度和影響前所未有的。

第二次工業革命，使得資本主義各國在經濟、文化、政治和軍事等各個方面，發展不平衡，美德迅速崛起，爭奪市場經濟和爭奪世界的斗爭更加激烈。第二次工業革命也促進了世界殖民體系的形成，使得資本主義世界體系的最終確立，世界逐漸成為一個整體。

1.3 第三次工業革命

第三次工業革命首先在美國興起，主要表現在：一雄厚的物質基礎、優秀科技人才、民族創新精神、地理環境和市場容量等優勢；二政府高度重視，積極采取措施推動，直接促成第三次科技革命首先在美國興起[2]。與此同時，日本通過吸收第三次工業革命的成果，也迅速發展起來，一躍成為世界第二超級經濟大國。過去十幾年，由于數字技術的迅猛發展和互聯網的快速普及，日本大型消費電子制造企業被突變式創新顛覆，多個世界知名企業先后陷入發展困境。但日本經濟的總體創新能力仍然非常強大，甚至可以說處于全球領先地位。

第三次革命，生產進入數字化，這不僅可以改變企業，還可以改變其他很多方面。第三次科技革命對經濟發展的影響表現在以下幾方面：一是它引起生產力各要素的變革，使勞動生產率有了顯著提高；二是不僅加強了產業結構非物質化和生產過程智能化的趨勢，而且引起了各國經濟布局和世界經濟結構的變化；三是以其豐富的內容使管理發展為一門真正的科學，并實現了現代化[3]。

與第二次工業革命相比，第三次工業革命主要以大規模個性化定制生產為主的產業制造范式。以往的工業革命追求低成本、高效率和批量化的規模化生產范式。但是，隨著柔性的數字化制造、3D打印、物聯網和云計算等技術的逐步完善，大規模定制的生產方式有向全球化個性化制造范式轉變的趨勢[4]。一些專家指出可重構的生產系統可以在柔性生產系統的基礎上進一步解決生產成本、產品多樣性、產能和生產周期等多目標之間的沖突，因而能夠更好地適應全球化時期消費者需求千差萬別且快速變動的市場環境[5]。

1.4 第四次工業革命

物理、數字網絡和生物等幾大領域的交叉互動以及ICT技術、生物技術和3D打印技術等多種先進技術之間的融合，其影響范圍之廣、變革速度之快，使得這場變革有別于人類歷史上的任何一次工業革命[6]。

世界各國制造企業普遍面臨著提質、增效、降耗的需求和大規模個性化定制生產帶來的生產柔性化、智能化需求，生產也從工廠化轉為社會化生產，同時，隨著工業化程度的加深，環境資源問題成了全球不得不面對的問題，綠色可持續發展也成了第四工業革命的特色和發展方向。

在微觀企業層，是以企業為平臺，形成無數小企業共生的生態，生產模式呈現出，眾包創新、柔性大規模定制、大數據遠程分析管理的特點；在中觀產業層次，以物聯網、智能機器人、3D打印和無人駕駛為主導，展現出服務化、智能化和綠色化的發展趨勢；在宏觀經濟結構層次上，以信息技術產業興起，三大產業逐漸實現信息化為特點，多極化、片段化為發展趨向。

產業技術新范式出現，數字化、網絡化和智能化。數字化、網絡化和智能化技術是新一輪產業變革的核心技術，將深刻改變制造業的生產模式和產業形態。這些范式里既有智能制造的基礎，也有體現智能制造價值實現、技術路徑升級、組織方式等不同維度的范式，它們從不同視角上反映出制造業的數字化、網絡化和智能化特征，在制造業從自動化走向智能化的轉型過程中發揮積極作用。

下面就通過表1匯總四次工業革命帶來的制造范式。

表1 四次工業革命帶來的制造范式

2 分析與比較各國發展戰略對中國的啟示

面對以智能制造為核心技術的新一輪工業革命，世界各國尤其是發達國家都在結合自身實際和優勢，積極采取行動，搶占未來發展的戰略制高點，確保本國在未來制造業競爭中的國際領先和主導地位。美國提出“先進制造業伙伴計劃”，德國提出“工業4.0戰略計劃”，英國提出“英國工業2050戰略”，法國提出“新工業法國計劃”，日本提出“超智能社會5.0戰略”，韓國提出“制造業創新3.0計劃”，都將發展智能制造作為本國構建新形勢下制造業競爭優勢的關鍵舉措，并提出了相應的發展技術路線。

2018年，中國工程院發布了《中國智能制造發展戰略研究》報告，報告對第四工業革命的到來進行深入的分析，同時將第四次工業革命的核心范式，智能制造進行了詳細的分析。

新的產業技術范式——智能制造，是新一代人工智能技術與制造技術的融合，也就是人工智能技術加上大數據、工業互聯網、多媒體、傳感器、人機交互和自主系統等多種技術實現未來城市的智能化、農業的智能化、醫療的智能化、家居的智能化、駕駛的智能化以及制造的智能化。

智能制造是讓機器實現從技能型工作自動化到知識型工作自動化的跨越。將人從繁重的體力勞動中解放出來，從事更多腦力勞動的工作，從而提高人類工作生活的幸福感和獲得感。實現知識型工作的自動化是指，在全新的智能制造系統——HCPS中，人類真正的加入到信息物理系統，可以隨時將數據、知識和經驗輸入進系統，讓智能系統代替人類完成更多的腦力和體力勞動，同時將數據和專家知識經驗以及系統的分析相結合，不斷迭代升級，達到一加一大于二的最終效果。

新一代智能制造系統包括六大組成部分（如圖2所示）：智能制造云、智能產品、智能生產、智能服務和工業智聯網，并通過智能的集成將這5個部分連接成為一個整體。其中系統內部通過，縱向、橫向、端到端集成，外部通過制造業產業鏈條的系統集成，以及智能制造與智能城市、智能農業、智能醫療等交融集成，形成智能生態大系統——智能社會。

圖2 智能制造系統

從而，我們可以得出，數字化網絡化是這次工業革命的開始，新一代人工智能技術的突破和廣泛應用將形成這次工業革命的高潮，并形成新一輪工業革命最為根本、核心的驅動力[13]。此外，新一代智能制造將引發制造業發展理念、制造模式發生重大而深刻的變革，重塑制造業的技術體系、生產模式、發展要素及價值鏈，推動制造業發展步入新階段。

當前，我國第一次與世界強國站在同一起跑線，迎接第四工業革命的到來，又恰逢全球貿易投資秩序深度調整，我國制造業在深化推進過程將中面臨的一系列新的挑戰和約束通過分析歷次工業革命中各國的經驗并結合我國現階段制造業發展的現狀和新一輪工業革命的特點，本文總結出目前我國的制造業發展需要著重研究的問題。

一方面是工業民間投資增速持續疲軟，勞動、能源、物流成本不斷攀升，嚴重影響企業運行效率；另一方面，我國制造業質量效益、結構問題突出。一是質量效益低。二是產業結構不合理。高技術產品貿易競爭優勢指數低，高端領域競爭力薄弱，產業仍處于中低端。三是創新能力薄弱。研發投入與制造強國相比存在較大差距，創新產出效率低。四是核心技術、工業“四基”和關鍵裝備受制于人。

面對這些問題，我們應該堅定不移地推進制造強國戰略；切實減輕制造企業稅費負擔；揚長補短，構建現代化制造業體系；將智能制造作為主攻方向；組建先進制造共性技術創新體系。凝聚人心、動員全社會力量，抓住第四工業革命和全球貿易投資秩序深度調整的機遇，推進我國制造業向高質量發展，加快新舊動能轉化，為工業發展夯實基礎。